Ka頻段多點(diǎn)波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)分析

+ 鄭曉天 李集林 劉海客 于雪暉 林墨航天恒星科技有限公司

Ka頻段多點(diǎn)波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)分析

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Ka頻段 星座 靜止軌道 Anik F2

Ka頻段多點(diǎn)波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)有星座組網(wǎng)、全球覆蓋、星上交換等實(shí)現(xiàn)方式；也有靜止軌道、區(qū)域覆蓋、透明轉(zhuǎn)發(fā)等實(shí)現(xiàn)方式。前一種方式波束覆蓋靈活可調(diào)，通信質(zhì)量高，技術(shù)復(fù)雜，容量受限；后一種方式技術(shù)簡(jiǎn)單可靠，容量大，波束覆蓋相對(duì)固定。本文通過(guò)對(duì)Ka頻段多點(diǎn)波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展的梳理，以及射頻技術(shù)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)發(fā)展對(duì)衛(wèi)星通信發(fā)展影響的分析，指出就將來(lái)一段時(shí)間而言，后一種方式是Ka頻段多點(diǎn)波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展的主流。

1. 序言

自從1945年Clarke提出衛(wèi)星通信的想法后，衛(wèi)星通信已經(jīng)走過(guò)了60多年的發(fā)展歷程。最近二十年Ka頻段多點(diǎn)波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展迅猛，但其發(fā)展道路也充滿了曲折。本文通過(guò)研究梳理Ka頻段多點(diǎn)波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展歷程，就未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，希望對(duì)我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供借鑒。

2. 衛(wèi)星通信發(fā)展概述

如果以1945年Clarke提出衛(wèi)星通信的設(shè)想作為衛(wèi)星通信的開(kāi)端，20年后1965年第一顆商業(yè)通信衛(wèi)星Early Bird成功發(fā)射；約20年之后在1984年第一個(gè)商用VSAT系統(tǒng)在沃爾瑪成功投入使用；再過(guò)20年到2004年DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)正式推出。回顧衛(wèi)星通信發(fā)展歷史，每隔20年衛(wèi)星通信必然會(huì)發(fā)生重大變革。

圖 1 下一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)[2]

1957年前蘇聯(lián)發(fā)射了人類第一顆人造衛(wèi)星Sputnik I。雖然Sputnik I只能發(fā)射信標(biāo)信號(hào)，但它證明通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行通信是可行的。隨后Echo I和Echo II采用無(wú)源反射的方式進(jìn)行了衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)。緊接著分別在1962年和1963年Telstar I 和Telstar II發(fā)射成功，上述衛(wèi)星都攜帶了一個(gè)帶寬50MHz的C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，采用太陽(yáng)能電池和蓄電池供電，進(jìn)行了跨大西洋電視直播和電話通信演示。在1965年之前，美蘇發(fā)射了大量的的通信衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但都集中于中低軌道。直到1965年 4月16日，第一顆投入商業(yè)運(yùn)行的靜止軌道通信衛(wèi)星INTELSAT I 也稱作Early Bird發(fā)射升空。該衛(wèi)星由Hughes公司負(fù)責(zé)制造，由Intelsat負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)。Early Bird攜帶兩個(gè)25MHz帶寬的C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，能夠提供480路語(yǔ)音信道[2, 3]。從此以后到80年代中期，靜止軌道衛(wèi)星容量越來(lái)越大，能夠提供上萬(wàn)路的的話音和幾十套電視節(jié)目，但其基本工作模式和技術(shù)沒(méi)有本質(zhì)變化。1985年Hughes公司為Wal-Mart建設(shè)了世界上第一個(gè)商用VSAT系統(tǒng)，這是衛(wèi)星通信系統(tǒng)一次重大的變革，被《財(cái)富》雜志評(píng)為20世紀(jì)最具有意義的20個(gè)戰(zhàn)略決策之一[4]。VSAT系統(tǒng)不僅僅是通信頻段的變化和終端天線的小型化，更重要的是實(shí)現(xiàn)了基于衛(wèi)星的雙向交互式通信，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星通信的一次飛躍。隨后幾十年基于靜止軌道衛(wèi)星的VSAT發(fā)展迅猛，但是其固有的大延時(shí)制約了其在當(dāng)時(shí)條件下的發(fā)展。所以后來(lái)移動(dòng)通信衛(wèi)星利用其軌道高度低，延遲小，信號(hào)損耗小和全球覆蓋的優(yōu)勢(shì)，迅速得到了發(fā)展。而當(dāng)時(shí)光纖通信技術(shù)存在諸多缺陷，在這種背景下銥星和GlobarStar 基于全球覆蓋的衛(wèi)星通信網(wǎng)看起來(lái)前途光明。但在其通信網(wǎng)絡(luò)建成之后，地面光纖性能大幅度提升，即使跨海光纜的性價(jià)比也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于LEO衛(wèi)星通信。因此銥星正式運(yùn)營(yíng)沒(méi)多久就破產(chǎn)，被美國(guó)軍方收購(gòu)。1993年美國(guó)NASA先進(jìn)通信技術(shù)衛(wèi)星（ACTS）發(fā)射升空[1]，此后十年是Ka頻段多點(diǎn)波束衛(wèi)星發(fā)展的高潮，各種衛(wèi)星通信方案相繼提出。

3. Ka頻段星座組網(wǎng)全球覆蓋衛(wèi)星通信系統(tǒng)

在Ka頻段多點(diǎn)波束衛(wèi)星理論進(jìn)行了20多年研究，并通過(guò)ACTS行了大量試驗(yàn)之后，人們迫不及待將其進(jìn)行商業(yè)化推廣應(yīng)用。在上世界末和20世紀(jì)初，在全球范圍內(nèi)規(guī)劃了大量的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，包括LEO、MEO和GEO衛(wèi)星，如圖 1所示[2]：

Astrolink[3,4]– 該衛(wèi)星系統(tǒng)包括9個(gè)GEO Ka頻段衛(wèi)星。其上行頻率為28.35-28.8GHz和29.25-30.0GHz。下行頻率為19.7-20.2GHz。該系統(tǒng)的目標(biāo)是提供基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高速多媒體通信。Astrolink采用星上處理（Onboard Processing OBP）以提升系統(tǒng)的效率，并采用星上交換（Onboard Switch OBS）提升系統(tǒng)的靈活性。該系統(tǒng)能夠向端站提供從16kb/s到9.6Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。并且端站采用90cm碟形天線就能夠支持384kb/s的上行數(shù)據(jù)速率。

Cyberstar[4,5]- Cyberstar衛(wèi)星星座包含3顆Ka頻段GEO衛(wèi)星。該衛(wèi)星系統(tǒng)旨在向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商（Internet Service Providers ISPs）、大中小商業(yè)組織和多媒體服務(wù)提供商提供IP多信道廣播廣播通信服務(wù)。Cyberstar網(wǎng)絡(luò)的容量為9.6Gbps。該衛(wèi)星系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)將采用基于幀中繼和ATM的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

Spaceway[6]-該系統(tǒng)包含16顆GEO衛(wèi)星和20顆MEO衛(wèi)星。該衛(wèi)星的Ka系統(tǒng)能夠提供高速數(shù)據(jù)傳輸、Internet接入和寬帶多媒體信息服務(wù)。Spaceway衛(wèi)星架構(gòu)基于傳統(tǒng)的彎管轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)使用0.66m口徑天線的終端時(shí)，該系統(tǒng)能提供高性能QoS（BER＜10-10），并保證從16kbps到6Mbps的上行傳輸數(shù)據(jù)速率。Spaceway衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)兼容ATM協(xié)議，ISDN，幀中繼和X.25等地面網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

SkyBridge[7]-SkyBridge星座包含80顆圓軌道LEO衛(wèi)星，軌道高度1469Km，軌道傾角53°。該系統(tǒng)旨在提供先進(jìn)信息服務(wù)（例如：交互式多媒體服務(wù)），信息速率從16kbps到60Mbps。SkyBridge衛(wèi)星基于彎管轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)。不同于其它衛(wèi)星，SkyBridge工作于Ku頻段，上行工作頻率為12.75-14.5GHz，下行工作頻率為10.7-12.75GHz。該系統(tǒng)選擇Ku頻段的原因在于其Ka相關(guān)技術(shù)還不成熟。SkyBridge信關(guān)站與地面網(wǎng)絡(luò)的接口為ATM交換機(jī)，該系統(tǒng)預(yù)計(jì)能滿足兩千萬(wàn)用戶同時(shí)使用。

Teledesic[8]– 該系統(tǒng)包含288顆衛(wèi)星，所有衛(wèi)星平均分布于12條軌道，每條軌道由24可衛(wèi)星組成。Teledesic衛(wèi)星系統(tǒng)工作于Ka頻段，上行頻率28.6-29.1GHz，下行頻率為18.8-19.3GHz。每條軌道間相鄰衛(wèi)星的星間鏈路（Intersatellite Links ISLs）工作于60GHz頻段。Teledesic采用了OBP和OBS技術(shù)，旨在提供“空中Internet”。它能夠提供高質(zhì)量和話音、數(shù)據(jù)和多媒體信息服務(wù)。QoS設(shè)計(jì)性能為BER＜10-10。上行鏈路采用MF-TDMA接入方式，下行采用異步TDMA（ATDMA）多址接入。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量為10Gbps，用戶上行速率為2Mbps，下行速率為64Mbps。

iSky（KaStar）[9]-iSky曾叫做KaStar，旨在向北美地區(qū)提供寬帶數(shù)據(jù)和Internet服務(wù)。其Ka系統(tǒng)服務(wù)包括：高速雙向Internet接入，衛(wèi)星廣播電視服務(wù)（Direct Broadcast Service DBS）和未來(lái)個(gè)人通信系統(tǒng)（Personal Communications Systems PCS）。iSky系統(tǒng)初期由2顆GEO衛(wèi)星組成，上行頻率為19.2-20.0GHz，下行頻率為29.0-30.0GHz。終端上行速率為1.5-5Mbps，下行速率為40Mbps.

從上述分析可以看出，這些系統(tǒng)多為中低軌道Ka頻段衛(wèi)星星座。相比于GEO和GSO衛(wèi)星，中低軌衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)是明顯的，這種優(yōu)勢(shì)主要是由于其更低的軌道高度，主要包括：

圖 2 Anik F2點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域[11]

更短的信號(hào)時(shí)延-由于中低軌道衛(wèi)星軌道高度更低，信號(hào)往返時(shí)間（Round Trip Time RTT）更短，因此用戶會(huì)獲得更好的的話音體驗(yàn)。

更小的鏈路衰減-軌道高度低的另外一個(gè)好處是，信號(hào)在自由空間中的損耗會(huì)更小，因此用戶甚至可以直接使用手持設(shè)備進(jìn)行通信或獲得熱點(diǎn)服務(wù)。

但同時(shí)更低的軌道高度同時(shí)特給LEO和MEO衛(wèi)星帶來(lái)了很大不利因素，主要包括：

星座組網(wǎng)-為了保證衛(wèi)星服務(wù)覆蓋范圍，LEO和MEO衛(wèi)星必須進(jìn)行星座組網(wǎng)。如圖 1所示，每個(gè)星座少則十幾顆衛(wèi)星多則幾十上百顆衛(wèi)星，整個(gè)系統(tǒng)的成本是非常昂貴的。

ISLs鏈路與衛(wèi)星切換-LEO和MEO衛(wèi)星的軌道周期很短，為了保證提供持續(xù)不斷地服務(wù)，必須保證衛(wèi)星之間的鏈路通信。而要合理的規(guī)劃衛(wèi)星星座中每顆衛(wèi)星合理的通信范圍和可靠地ISLs，必須采用非常復(fù)雜的技術(shù)，這將導(dǎo)致昂貴的費(fèi)用和低可靠性。

終端天線-由于LEO和MEO衛(wèi)星相對(duì)地面固定位置一直在運(yùn)動(dòng)，所以終端必須采用全向天線或者帶有跟蹤裝置的定向天線。全向天線沒(méi)有增益，因此會(huì)限制終端數(shù)據(jù)速率。如果采用帶有跟蹤裝置的天線，會(huì)帶來(lái)重量增加、供電增加、設(shè)備復(fù)雜度等一系列問(wèn)題。

圖 3 IPSTAR 覆蓋中國(guó)區(qū)域

衛(wèi)星壽命低-軌道高度低帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題是衛(wèi)星壽命短，LEO和MEO衛(wèi)星壽命一般在5～8年，而且每個(gè)軌道面都必須有備份衛(wèi)星。因此，為了保證衛(wèi)星組網(wǎng)必須定期發(fā)射衛(wèi)星。

全球覆蓋-衛(wèi)星通信的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是通信費(fèi)用與距離無(wú)關(guān)，于是很多廠家將其發(fā)揮到極致，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)要覆蓋全球。而對(duì)于衛(wèi)星星座來(lái)說(shuō)，無(wú)論其是否愿意覆蓋全球，它都必須覆蓋全球。如果衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)向連入當(dāng)?shù)仉娦啪W(wǎng)絡(luò)，就必須與當(dāng)?shù)仉娦胚\(yùn)營(yíng)商和政府進(jìn)行溝通，并且建設(shè)關(guān)口站作為接入接口。如果要真正實(shí)現(xiàn)全球互通互聯(lián)，那就要與全球各個(gè)國(guó)家政府和電信運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行合作，這個(gè)難度可想而知。如果某一地區(qū)不允許衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信號(hào)落地，那么衛(wèi)星知識(shí)覆蓋了這一地區(qū)，而不能提供服務(wù)。對(duì)于衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，單位用戶的成本就會(huì)增加，其地面網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)力將大打折扣。由于衛(wèi)星星座大多由跨國(guó)公司運(yùn)營(yíng)，通信安全無(wú)法得到保障。很多新興國(guó)家既想發(fā)展本國(guó)衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)，又不希望采用國(guó)外企業(yè)提供的衛(wèi)星服務(wù)。因此覆蓋本國(guó)區(qū)域的Ka頻段GEO衛(wèi)星成為不二選擇，尤其是區(qū)域覆蓋的Ka頻段GSO衛(wèi)星能夠解決上述一系列問(wèn)題。

從上述分析可以看出，LEO，MEO和GEO衛(wèi)星星座技術(shù)難度大、建造成本高。2003年Lockheed-Martin 終止了Astrolink衛(wèi)星項(xiàng)目研究[10]。Cyberstar、Spaceway、SkyBridge、Teledesic和iSKy等衛(wèi)星項(xiàng)目相繼終止或者大幅度縮減項(xiàng)目規(guī)模。

4.Ka頻段靜止軌道區(qū)域覆蓋衛(wèi)星通信系統(tǒng)

就在Ka頻段星座組網(wǎng)全球覆蓋衛(wèi)星系統(tǒng)相繼終止時(shí)，2004年Anik F2衛(wèi)星成功發(fā)射升空。該衛(wèi)星屬于Telesat公司，主要向加拿大及美國(guó)提供衛(wèi)星寬帶接入服務(wù)。Anik F2采用BSS-702平臺(tái)，采用透明轉(zhuǎn)發(fā)，搭載38個(gè)Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，衛(wèi)星容量2Gbps。

隨后2005年IPSTAR發(fā)射成功，采用LS-1300S平臺(tái)，透明轉(zhuǎn)發(fā)，搭載10個(gè)Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，87個(gè)Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，衛(wèi)星容量為45Gbps。

隨后2007年Spaceway-3發(fā)射升空，采用BSS-702平臺(tái)，搭載72個(gè)Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，衛(wèi)星容量為10Gbit/s。該衛(wèi)星采用了先進(jìn)的星上轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)和移動(dòng)點(diǎn)波束技術(shù)，但衛(wèi)星容量也受到限制，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中大多是情況下點(diǎn)波束并不需要經(jīng)常移動(dòng)。接下來(lái)幾年WINDS、Ka-Sat、Yahsat Y1A、ViaSat-1、Arabsat-5C、Yahsat Y1B、Jupiter-1、HYLAS2、Astra 2E等衛(wèi)星相繼發(fā)射成功，而ViaSat-2、Jupiter-2等超過(guò)200Gbit/s容量的衛(wèi)星預(yù)計(jì)在2016年發(fā)生升空。

2004年后發(fā)射的Ka頻段多點(diǎn)波束衛(wèi)星可以分為兩類：由衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)，以Jupiter-1等為代表，投資回報(bào)巨大；另一類為相關(guān)國(guó)家，尤其是中東、非洲和拉美等新興國(guó)家，的政府結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)，以Arabsat-5C為代表，用來(lái)改善國(guó)內(nèi)通信條件。而這些衛(wèi)星無(wú)一例外都是覆蓋某一區(qū)域的靜止軌道衛(wèi)星，大部分都采用了透明轉(zhuǎn)發(fā)方式。

Ka頻段靜止軌道區(qū)域覆蓋衛(wèi)星系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)在與通信距離遠(yuǎn)，導(dǎo)致信號(hào)衰減大，時(shí)延長(zhǎng)。但隨著大功率射頻技術(shù)的的發(fā)展，信號(hào)衰減得到了影響逐步降低，目前上述系統(tǒng)的EIRP普遍在62～70dBW之間，地面終端采用60cm天線就能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星寬帶接入。隨著數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展，絕對(duì)延遲對(duì)用戶體驗(yàn)的影響在逐漸減少。由此看出，采用Ka頻段靜止軌道區(qū)域覆蓋透明轉(zhuǎn)發(fā)的通信系統(tǒng)，具有星上簡(jiǎn)單可靠、衛(wèi)星容量大、投資回報(bào)率高等優(yōu)點(diǎn)，所以具有上述特點(diǎn)的Ka頻段多點(diǎn)波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)將會(huì)是衛(wèi)星通信發(fā)展的主流。

[1]Coney TA. Advanced communication technology satellite (acts) very small aperture terminal (vsat) network control performance. AIAA, 2011,

[2]Farserotu J, Prasad R. A survey of future broadband multimedia satellite systems, issues and trends. Communications Magazine, IEEE, 2000, 38: 128-133

[3]EVANS JV. Satellite systems for personal communications. PROCEEDINGS OF THE IEEE, 1998, 86: 1325-1341,Lockheed-Martin. Astrolink. http://www. astrolink.com

[4]S.Ohmori, Wakana H, Kawase S. Mobile satellite communications. London: Artech House 1998

[5]Cyberstar http://www.cyberstar.com

[6]Hughes spaceway http://www.hns.com./spaceway

[7]Skybridge http://www.skybridgesatellite.com

[8]Teledesic. http://www.teledesic.com

[9]Isky. http://www.ka-star.com or http:www.isky.net

[10]Spaceandtech http://www.SPACEandTECH .com

[11](ECC) ECC, (CEPT) wtECoPaTA. Ecc report 152 the use of the frequency bands 27.5-30.0 ghz and 17.3-20.2 ghz by satellite networks. 2010,

鄭曉天 男 博士研究生 目前研究領(lǐng)域?yàn)镵a頻段多點(diǎn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)

李集林 男 研究員 博士生導(dǎo)師 目前研究領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星通信

劉?？?男 博士研究生 目前研究領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星通信

余雪輝 男 博士研究生 目前研究領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

林墨 男 高工 博士 目前研究領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星通信